运放的输入电压范围与输出电压范围

输入电压范围：Input Voltage Range

定义：保证运算放大器正常工作的最大输入电压范围，也称为共模输入电压范围。请一定看清楚，是输入电压，不是电源电压，有的同学在做实验时根本就没有搞清楚什么是电源电压，什么是输入电压!

优劣评定：一般运放的输入电压范围比电源电压范围窄1V到几V，比如一个运放用±15V供电，输入电压范围在-12V~13V。较好的运放输入电压范围和电源电压范围相同，甚至超出范围0.1V。比如±15V供电，输入范围在-15.1V到15.0V。当运放最大输入电压范围与电源范围比较接近时，比如相差0.1V甚至相等、超过，都可以叫“输入轨至轨”，表示为Rail-to-rail input，或RRI。

理解：运放的两个输入端，任何一个的输入电压超过此范围，都将引起运放的失效。注意，超出此范围并不代表运放会被烧毁，但绝对参数中出现的此值是坚决不能超过的。

图1给出了输入电压范围和输出电压范围的示意。下方的OP07数据手册中，可以看出在±15V供电时，其输入电压范围只有±14V。

图1 双电源供电、单电源供电以及轨定义示意图

图2 OP07运放手册中的输入电压范围

输出电压范围：VOH/VOL或者Swing from rail

定义：在给定电源电压和负载情况下，输出能够达到的最大电压范围。或者给出正向最大电压VOH以及负向最小电压VOL——相对于给定的电源电压和负载;或者给出与电源轨(rail)的差距。好像有点拗口了，说人话就是运放的输出电压最大到多大，能否达到或接近电源电压!

优劣范围：一般运放的输出电压范围要比电源电压范围略窄1V到几V。较好的运放输出电压范围可以与电源电压范围非常接近，比如几十mV的差异，这被称为“输出至轨电压”。这在低电压供电场合非常有用。当厂家觉得这个运放的输出范围已经接近于电源电压范围时，就自称“输出轨至轨”，表示为Rail-to-rail output，或RRO。

理解：在没有额外的储能元件情况下，运放的输出电压不可能超过电源电压范围，随着负载的加重，输出最大值与电源电压的差异会越大。这需要看数据手册中的附图。

输出电压范围，或者输出至轨电压有如下特点：

(1)正至轨电压与负至轨电压的绝对值可能不一致，但一般情况下数量级相同;

(2)至轨电压与负载密切相关，负载越重(阻抗小)至轨电压越大;

(3)至轨电压与信号频率相关，频率越高，至轨电压越大，甚至会突然大幅度下降;

(4)至轨电压在20mV以内，属于非常优秀。

在做基本运算放大电路实验时，有心的同学应该就发现了，在反向比例放大电路中，输入电压是2V，但是测量得到的输出电压不是-20V，实际电压只有-12V左右，当时就有同学问我这个问题，我的回答是我只能告诉你结果是对的，至于为什么需要自己去查资料，不知道你查到了吗?

下表摘自TI公司生产的运算放大器uA741。在供电电压为±15V，RL=10K欧时，其输出电压范围是±12V，至轨电压是3V，很大了。

表1 uA741电气参数

通过上面的学习，希望同学们以后在设计电路时一定要注意到至轨电压的问题，如果你的设计要求输出电压要接近电源电压，那么一定要选择输出轨至轨的运放。